Application of TRIZ Theory in NC Assembly and Adjustment Training Platform

TRIZ，就是“发明问题解决理论”的俄文首字母对应转换为拉丁字母的缩写，早在1946年，TRIZ就被苏联发明家Altshuller创立.

TRIZ理论解决问题的流程如下.首先，利用TRIZ理论将准备设计的产品转化为TRIZ问题，随后，将TRIZ理论中的工具包融入到等势原理和同化原理等，得到该问题的模拟解，最终要得到特解.下图表征了TRIZ理论一般的求解流程^[4].

数控装调实训台在数控技术专业办学水平中担负着重要的角色，为了提升实验实训条件，提升学院教师实践经验和动手能力，充分结合河南省特色专业建设要求，学校拟投资100余万元自主研发数控装调实训台.

根据实际划拨经费的情况，如果采购天煌或亚龙数控装调实训台，最多可采购10余台设备，根本无法满足数控专业及数控设备维修与维护专业学生的实训要求，因此要以最低的成本来满足学生们实验实训的要求.

首先数控装调实训台要满足学生们实验实训的要求，至少要满足一个班60位同学的实验实训.其次，数控装调实训台所配置的数控系统应当与用于实验实训的实际的数控机床数控系统相一致，具备跟实际加工条件相一致的安装调试等功能.

针对所提出的具体问题，制定相应的规划方案.首先，数控装调实训台的功能设计要以满足实际教学要求为基础，能够理论联系实践地进行试验和实训教学任务；其次，要同时满足一次性60人的上课需求；最后，不能超出经费数额的限制.

通过以上的问题描述可以看出，为了做到不超支，首先要对数控装调实训台的功能进行减少，其次要对数控实训台的数量进行削减，但若采用以上的措施，势必会影响整体的教学质量，这对矛盾便是TRIZ理论要解决的问题^[5].

1) 将以上的数控装调实训台设计问题矛盾按照TRIZ理论标准问题转变为39个通用工程参数中的若干项，用来描述技术矛盾，也就是将一般的矛盾问题转化为TRIZ标准问题.

上述存在的问题矛盾，将其割裂看来，分别是实训台的可靠性结构和实训台可制造性之间的矛盾，实训台的可操作性和可维修性之间的矛盾，将文字表述为39个工程参数中的4个，分别为27，32，33，34^[6].

工程参数27：物质或事物的可靠性，是指机构、构件、零件等的可靠性，它们的可靠性和耐用性会影响到整个子系统的性能表现.

工程参数32：装置的可制造性，是指物体或系统制造的难易程度，如结构、尺寸、功能性等是否满足设计的需求.

工程参数33：装置的可操作性，是指整个系统上手的难易程度，如界面的友好程度，人机工程学的合理性等因素，掌握系统操作的难易程度也是装置复杂性的一种表现形式.

工程参数34：装置的可维修性，是指整个系统损坏后更换零部件或排除故障的难易程度，如备件更换的方便性，故障排除的高效性等因素.

工程参数27，33，34是希望改善的工程参数，工程参数32是恶化的工程参数，因此本数控装调实训台的技术矛盾是装置的可制造性与事物的可靠性、装置的可操作性、装置的可维修性之间的矛盾^[7].

2) 利用矛盾冲突矩阵，确定最终选用的发明原理.

根据工程参数27，32，33，34所组成的冲突问题，经过查找TRIZ技术矛盾矩阵表，得到如表 1所示的冲突解决问题矩阵.

根据创新原理1和创新原理5的有效提示(表 2)，最终的组织设计方案根据学校的实际教学情况而定：将机床电气控制部分和数控系统分开放置，伺服变压器和数控系统放置在一起.其中数控系统6台，机床电气控制实训台15台，通过航空插头将系统各部分之间进行有效连接.因为在学生实训过程中，机床电气控制元器件之间的接线和配线需要花费大量的时间，占据了整个实训过程中的大部分时间，因此15台机床电气控制实训台可以满足100名学生同时进行接线和配线的机床电气安装实训要求，而占用时间较短的数控系统参数设定、数控系统故障点设置、程序的输入和备份、工件坐标系的设定等环节学生操作速度快，6台数控系统基本满足了学生的使用要求.具体的数控装调实训台设计三维效果图如图 2和图 3所示^[8].

发那科数控系统在质量、性能和功能上都具有很强的优越性，在数控机床和机器人领域得到了广泛的应用，FANUC数控系统的市场占有率也远超同级对手，其主要优点集中在以下几个方面：

① 模块化结构在系统设计中得到广泛应用.模块化的结构装卸方便，系统高度集成了各个控制板，大大提高了系统的可靠性，提高了更换维修的便利性. ②能够在恶劣的工况下进行工作.其工作温度适应性广泛，工作湿度高，可操作性强. ③系统保护措施相对完善.发那科数控系统的过载保护电路对自身具有良好的保护作用. ④发那科数控系统具有功能丰富、操作界面齐全的系统软件，对于数控装调实训台或者数控机床，都能满足操作的基本需求. ⑤具有DNC传输功能.系统所提供的通讯接口RS232，在安装有DNC传输软件的PC机上，可以实现自动编程程序与机床的直接传输，提高了生产效率，减少了劳动强度. ⑥有良好的故障诊断功能.发那科自带的维修手册中提供了大量机床常见的报警信息，为实际操作中机床的故障排除带来了便捷性.因此，结合学校的实际情况，选择FANUC 0i Mate-Td系统作为实训台的数控系统.

由于本数控实训台选择FANUC 0i Mate-Td系统，为了确保整套系统的稳定性，伺服驱动器也采用发那科的比较合理，发那科伺服驱动系统具备以下优点：采用三相交流宽幅可调节电压供电、自适应电源管理模式、具备可靠的过载和保护功能、信号抗干扰能力强、伺服电机编码器串行输入功能.具体配置模块如图 4所示^[9].

变频器是数控机床电气控制中十分重要的一种设备，它的主要功能是通过改变交流电的频率来间接地调节交流电机的转速，实现主轴的无级变速.本数控装调实训台选用三菱系列的变频器最为合理.三菱变频器具有低速高扭的特点.转速精度很高、价格便宜、品种齐全、具有很好的断电保护功能和速度延迟复位功能，使得整个数控系统在运转中实现高效性，保证伺服电机良好的运转状态，因此选用三菱变频器来实现主轴的无级变速，是最合理的选择.

数控装调实训课程的主要任务是培养学生们对数控系统安装调试全过程的参与训练，包括绘制电气原理图、PLC梯形图、按照电气原理图接线、上电和最后完成调试.其实调试过程是最为繁琐的过程，特别涉及到故障诊断和排除的环节，需要设定真实机床的故障情景，让学生们学会分析、查找、排除故障，提高学生解决实际问题的能力.因此，对于一台数控装调实训台来说，人为的设定故障点是学生学习过程中必不可少的一项关键环节，为了和实际情况有完全良好的贴合度，研制高效的故障诊断装置势在必行.

本数控装调实训台的故障点设置功能丰富，灵活可变，开放性强，兼容性好，可满足诸多的故障问题，对数控装调实训中的常见故障点的发生有真实的模拟作用.

数控装调实训台的故障点设置装置由可编程控制器、变压器、断路器、时间继电器、电控柜、信号灯、操作按键、接头等组成.详见图 5和图 6.

① 首先通过故障开关设定故障，之后故障指示灯闪烁，当确定故障的原因后，进行故障诊断和维修时，按动故障复位按钮消除故障. ②在实践教学过程中，教师可以随机设置故障情况，随后故障提示按钮闪烁；③通过故障点提示按钮可以迅速找到故障发生的位置；④故障点设置按钮的延伸性很强，通过节点线路的位置可以获取更多的故障点资源；⑤依托故障点设置装置，通过看中学，学中练，练中做，做中悟，提高同学们理论和实践结合的能力^[10].

数控装调实训台一共设置了20个典型的常见故障，每一个中间继电器控制一个故障点的发生，所有故障点的设置装置独立安放于专用的电控柜里，同时，在无人操作时，将电控柜门上锁，以便保护人员安全.

本文基于TRIZ理论设计的数控装调实训台采用功能区分离结构，在满足学生实训的基础上，做到了成本最优，具备完善的功能，通过在实际教学中的检验，性能良好，基本满足了实验实训需求，获得了良好的使用效果，与此同时也存在某些不足之处，比如故障点设置较为固定，故障点设置数量跟实际还有差距，需要在今后不断改进和完善.